1 绪 论

第二篇 崩塌地质灾害机理及评价方法研究

1 绪 论

1.1 研究的意义

崩塌一般是指陡峭边坡所发生的一种突然而又急剧的动力地质现象，即在地势陡峭、地质条件复杂的边坡上，其上的岩体或土体在自重和其他外力作用下，突然脱离母岩而急剧向下崩落。陡峭的斜坡地形是危岩形成并造成崩塌坠落的必要条件，大量存在的岩体或土体结构面是崩塌发育的地质构造特征，软硬相间的地层组合是形成崩塌的主要地层组合特征，重力、降雨、根系劈裂、地震和人工开挖爆破等是崩塌发育破坏的动力作用。

崩塌、滑坡、泥石流是三大主要山地地质灾害类型，崩塌灾害在地质灾害中占有的比重仅次于滑坡（图1-1）。我国每年产生的崩塌灾害次数在8 000次以上，直接经济损失50多亿元。崩塌灾害常因形成条件、形成环境、孕育过程复杂多样，规模可大可小，分布广泛，易于触发，宏观特征不明显等特点而具有更大的威胁性，并常造成灾难性的后果（王根龙，2011）。

图1-1 2007年1～12月份不同地质灾害类型发生统计

山区崩塌地质灾害是具有严重危害的自然灾害，其一次发生造成破坏性虽然比地震、火山要小很多，但其出现的频度和广度却远远大于地震事件，成为人类生活环境中广泛遭遇、受害最重的自然灾害。我国是多山国家，山地占国土面积2/3以上,我国西部山区面积更是占陆地面积的86%以上，山区人口占全国总人口的56%。山区地质灾害在我国分布广泛，主要的分布和危害严重区域累计173万平方公里，占全国国土总面积的18%，全国70座城市崩塌坡地质灾害严重。据有关资料统计，仅长江上游100km2的范围内就分布灾害型崩塌、滑坡10万余处，泥石流沟10万条以上；四川省1998年1～9月份发生较大型地质灾害109处，其中滑坡48处，泥石流36处，崩塌25处。这些地质灾害一旦发生，其后果往往非常严重，甚至是毁灭性的，给人民生命财产造成极大损失。

据不完全统计，我国西部地区因崩塌、滑坡、泥石流灾害每年造成约600余人伤亡，约占全国的70%，直接经济损失达20亿元以上。四川省1998年1～9月份全省发生较大型地质灾害109处，死亡人数达到283人，伤1 868人，经济损失数亿元。重庆市是我国地质灾害最为严重的4个地区之一，在全国崩塌、滑坡等地质灾害严重的70座城市中，重庆位列第一。在1998年的洪灾中，重庆市22处大中型地质灾害被诱发，主要集中在万州、开县、云阳、合川等地。据《三峡库区地质灾害防治规划》(2001年l0月)的系统统计，在三峡库区淹没影响区和移民迁建区内共发现地质灾害2 548处，其中崩塌（危岩体）和滑坡2 490个，泥石流沟47条，地面塌陷6个，地裂缝5个。

由以上统计资料可看出，我国是个地质灾害频繁发育的国家。在各主要地质灾害中，崩塌灾害占有相当大的比重。崩塌灾害常因规模可大可小，分布范围更随机，宏观特征不明显等特点而具有更大的威胁性，并常造成灾难性的后果（见表1-1）。

表1-1 我国典型崩塌地质灾害统计情况

（续表）

（续表）

由以上这些崩塌灾害案例可以看出，崩塌灾害具有发生突然性、后果毁灭性、分布普遍性的特点。这些特点使崩塌地质灾害像冷酷无情的杀手，随时在威胁着人们的生命财产安全。高边坡崩塌灾害防控技术研究是当前公路建设必须面对和急需解决的问题，而评价技术方法研究则是解决上述课题的关键。

1.2 崩塌的定义

在地质学、地貌学、工程地质学等方面的教材及众多有关的专业文献中，可以看到许多有关崩塌的概念，但国内众多的专家、学者显然对崩塌这一地质灾害现象的理解并不相同。

高等学校教材《普通地质学》中，将块体运动分为崩落、蠕动、滑坡和泥石流四类，并将崩落定义为：“崩落是指陡峻斜坡上的岩石或土体大块或整体地向坡下垮落，是突发性的，其速度十分快。”“崩落常发生在新近上升的山体边缘、坚硬岩石组成的悬崖峡谷地带，河、湖、海岸的陡岸等。大规模的崩落能摧毁铁路、公路、隧道、桥梁；破坏工厂、矿山、城镇、村庄和农田，直至危害人民的生命安全，造成巨大灾害。在工程建筑上视为‘山区病害’之一。”

由北京大学、南京大学、上海师大等高校编写的《地貌学》中崩塌的定义为：“在陡峻的斜坡上，巨大的掩体、土体、块石或碎屑层，在重力的作用下，突然发生急剧的崩落、翻转和滚落，在坡脚形成倒石堆或岩屑堆，这种现象称为崩塌。”

张倬元、王仕天等（1993）认为：“陡峻或极陡斜坡上，某些大块或巨块岩体，突然崩塌或滑落，顺山坡猛烈地翻滚跳跃，相互撞击破碎，最后堆于坡脚，这一过程称之为崩塌。”“个别巨石崩落则称坠石。”

胡厚田（1989）在其著作《崩塌与落石》中写道：“陡坡上的巨大岩体或土体，在重力和其他外力作用下，突然发生向下崩落的现象叫做崩塌。崩塌的过程中岩体（或土体）顺坡猛烈的翻滚，跳跃，相互撞击，最后堆于坡脚。”“所谓落石是指陡峻斜坡上的个别岩石快体在重力和其他外力作用下，突然向下滚落的现象。有人认为落石就是小型崩塌。但从其形成条件和产生原因来看，和崩塌不完全一致。它的形成条件更简单、更容易，它还包括个别的岩块的滚落。”

曾廉（1990）在其著作《崩塌与防止》中是这样定义崩塌和落石的：“崩塌是指陡峻边坡所发生的一种突然而又急剧的动力地质现象，即在地势陡峻、地质条件复杂的边坡上，其岩体、土体在自重和外力的支配下，突然脱离亩岩（土）体而急剧地倾倒呈翻滚、跳跃状破坏。崩塌后，变形体各部分的相对位置紊乱，互无联系，较小的块体翻滚较近，较大的块体翻滚较远，堆积成倒石锥或岩锥。”“落石系指在悬崖或陡坡上，个别岩块（有时伴随若干小块）在自重合外力作用下，突然脱离亩岩（土）体急剧地下落。其性质与崩塌相似，唯其规模较小，在路基病害分类中被列为崩塌的亚类。”

张缙在《岩块崩塌与运动初析》中这样写道：“崩塌现象与滑坡有很大差别，它是岩土体失稳时势能的骤然释放，同时很快把势能转换成动能，声能与热能(发出碰撞声，相互剧烈摩擦而生热)，岩土体不呈有序的移动，除滑动外，还发生倾倒、转动、滚动和翻转。”

阳友奎（1999）曾这样定义崩塌落石：“崩塌落石是单个或群体岩块在重力或其他外力作用下突然从陡峻岩石山坡上分离并以自由落体坠落、弹跳、滚动或它们的某种组合方式顺坡向下猛烈运动，最后散集于坡脚的一种常见地质灾害现象。”

中国地质环境信息网将崩塌定义为：“崩塌(崩落、垮塌或塌方)是较陡斜坡上的岩土体在重力作用下突然脱离母体崩落、滚动、堆积在坡脚(或沟谷)的地质现象。产生在土体中者称土崩，产生在岩体中者称岩崩。规模巨大、涉及到山体者称山崩。大小不等、零乱无序的岩块(土块)呈锥状堆积在坡脚的堆积物，称崩积物，也可称为岩堆或倒石堆。”

陈洪凯教授等（2010）提出：国内外学术及工程技术界对危岩这种地质灾害类型科学内涵的界定存在一定差异，主要有三种，即“崩塌”（Collapse或Avalanche）、“落石”（Rockfall）和“危岩”。从崩塌源危岩发育机理和失稳模式来看，这些术语都具有一定的相似性，强调了同一问题的不同侧面，即“崩塌”是指危岩崩落的动力行为，“落石”是指危岩崩落后的堆积体态，而“危岩”则涵盖了危岩体形成、破坏、失稳和运动的全过程力学行为。危岩体一词是我国工程地质学家提出的，有据可查的最早资料可能源于1964年长江三峡链子崖的发现，始称“变形体”、“斜坡变形”或“不稳定斜坡”等。危岩体是指由于自然或人类工程活动造成高陡临空地形条件的山体出现开裂、向临空方向发生位移，并威胁山下人民生命、财产和生存环境或工程设施的一种地质现象。

苏联的著名工程地质学家洛姆塔泽在其著作《工程动力地质学》中写道：“据我们理解，单个岩块或岩体从堑坡、矿坑边坡，或从以坚硬或半坚硬岩体组成的高陡斜坡突然脱开并落下，亦即倒塌破坏谓之崩落。夹杂于软黏土或松散砂土中的个别块石、漂砾或胶结、压密的岩石有时也脱落下来。”“无论是个别的块石和岩块，或者是更大的坚硬的和较坚硬的岩体，从位于坡肩以上的高陡露头，或是从陡峻直立的斜坡上部陷落，并伴随有翻滚、跳跃和击碎称之为崩塌。”“岩体在崩落时从其脱离母体的位置到其坠落点，所经过的途径大部分是在空中，而在崩塌时则是沿山坡翻滚。”

Dussauge等（2001）将崩塌定义三类：① Rockfall 通常是指小的崩塌现象，崩落方量从几个立方分米到10 000立方分米；② Rockslide 通常是指较大的崩塌，方量大于10 0000立方米；③ Rock Αvalanche 通常是指山崩，方量可达数百万立方米。

Varnes（1978）对崩塌的定义最具代表性：指经滑动、倾倒、坠落而分离的岩石碎块沿着垂直或接近垂直的悬崖落下，在沿着斜坡向下运动过程中，岩石碎块互相碰撞、跳跃呈抛物线运动；或者沿斜面翻滚。

从上述这些概念的歧义可以看出，国内外对崩塌失稳的概念并未确切定义，以及对崩塌问题的认识、研究程度还不成熟。

笔者认为：“崩塌”一般是指陡峭边坡所发生的一种突然而又急剧的动力地质现象，即在地势陡峭、地质条件复杂的边坡上，其上的岩体或土体在自重和其他外力作用下，突然脱离母岩而急剧向下崩落。“危岩体”是指崩塌未发生之前，斜坡上可向临空方向开裂、位移并对人类造成威胁的岩土体的一种存在状态。

1.3 研究现状

崩塌是一个多因素相互作用协调发展的复杂系统，稳定性便是这个系统发展的一个综合信息。崩塌的工程地质条件复杂，存在较多的裂隙、软弱夹层及断层、且相互交割，破坏模式多样，失稳原因复杂，给崩塌稳定性的评价带来很大的困难，目前崩塌的稳定性评价有定性方法、定量方法和利用动态资料分析判断方法。定性方法有工程地质类比法、图解法，定量分析方法有极限平衡法、数值计算和仿真方法、可靠度分析法、系统辨识法和人工神经网络法。

1）工程地质类比法

工程地质类比法又称工程地质比拟法，其内容有自然历史分析法、因素类比法、类型比较法等，是将已有的自然边坡环境、或者人工边坡的研究设计经验，应用到条件相似的新边坡的研究和设计中来，为此需要对已有工程设计经验进行广泛的调查研究，全面分析工程地质因素的相似性和差异性，分析影响边坡变形发展的主导因素的相似性和差异性。其优点是能综合考虑各种影响边坡稳定的因素，迅速地对边坡发展为崩塌地质灾害的稳定性及其发展趋势做出估计和预测，缺点是类比条件因地而异，经验性强。

2）图解法

图解法包括岩体结构分析法和关键块体理论。岩体结构分析法主要依据是中科院地质研究所孙广忠(1988)提出的“岩体结构控制论”和出版的《岩体结构力学》，将赤平投影和实体比例投影法应用于边坡工程；“关键块体理论”是由美国华裔学者石根华提出的，其分析的核心可以归纳为寻找开挖临界面上关键块体，并且在岩石边坡稳定性分析中得到广泛的应用。

3）刚体极限平衡分析法

极限平衡分析法是边坡稳定评价的重要手段和实用方法，对岩质边坡、滑动面的形状、组合状态以及滑动面的性状对其稳定性起控制作用。岩质边坡的滑动面是由层理、片理、节理、裂隙和断层等由一定延续性的面组成，大部分是较缓的软弱面，因此对可能产生平面滑动的岩质边坡一般采用平面滑动法进行计算，对可能产生折线滑动的边坡一般采用折线滑动法进行计算。

刚体极限平衡法通过计算在滑移破坏面上的抗滑力（矩）与滑动力（矩）之比即稳定系数，来判断危岩体的稳定性。这种方法20世纪初提出来以后，经过众多学者的不断修正，成为目前在工程实践中最常用的危岩体稳定性分析方法。其优点是简单可行、结果明确。孙云志、陈明东、胡厚田、吴文雪和陈洪凯等人分别根据各自的分类模式或具体工程特点，采用极限平衡法，提出了崩塌失稳判据。

4）数值计算和仿真方法

近几十年来，国外研制了许多切实可行的数值分析方法用于解决边坡工程的计算。应用数值方法进行边坡工程的计算可以采用弹塑性理论和极限平衡分析解决，方便地处理岩石边坡问题的非线性等特征，得到应力场、应变场和位移场，非常直观地模拟边坡变形破坏过程。

采用离散元可以仿真边坡的整体滑动过程，对于预测边坡的破坏规模和方式具有重要的意义。20世纪70年代，Goodman提出离散单元法，使得节理岩体模拟这种更接近于块体运动的过程模拟成为可能。80年代Cundall提出快速拉格朗日分析方法（FLΑC，1986）并由Itasca公司进行商业程序化。这种方法考虑材料的非线性和几何学上的非线性，采用混和离散化法使塑性破坏和塑性流动得到体现，并采用显式时间差分解析法，大大提高了运算速度，适用于求解非线性大变形，但节点的位移连续，本质上仍属于求解连续介质范畴的方法。而有限元计算应力和位移时，采用的是接触单元求解接触问题，因无法求解有初始间隙的接触问题及因采用单元内应力作为屈服判据可能导致失真现象，故应用受到限制。

不连续变形分析法简称DDΑ法，由石根华、Goodman于1989年提出，它兼具有限元和离散元两法之部分优点。可以反映连续和不连续的具体部位，考虑了变形的不连续性和时间因素，可计算静力问题和动力问题，可计算破坏前的小位移和破坏后的大位移，特别适合崩塌极限状态的设计计算。

采用数值分析法研究危岩体的稳定性，弥补了静力解析法不能求出岩土体的应力-应变关系以及与实际工作状态不完全相符的不足，计算结果较精确。因此，数值分析方法已逐步成为崩塌稳定性的分析的常用方法。

最近随着数值分析方法的不断发展，出现了不同数值方法的相互耦合，因此出现了有限元、边界元、无限元、离散元与块体元的相互耦合数值解和解析解的结合，以及非确定性的数值方法，如随机有限元、模糊有限元、率数值分析等方法。

5）可靠度分析法

边坡崩塌稳定性可靠性理论评价的基本思想是：首先根据崩塌的滑动破坏模式建立稳定性的极限状态函数方程，然后选取可靠度求解方法计算崩塌稳定性的可靠度指标和破坏概率。“可靠度分析”问世不久，因此到目前还没有一种关于岩体边坡破坏尺度的规范性说法，但在概率论基础上进行边坡可靠性分析，考虑边坡的各种影响因素的不确定性用概率来度量边坡的安全度，是边坡工程研究的发展趋势。

6）系统辨识法和人工神经网络法

张奇华提出了一种边坡变形破坏的系统辨识方法，其主要思想是：在工程地质区域，考虑变形破坏方式和相应的变形破坏特征、位移关系式，针对各种可能的变形和破坏建立变形监测网，由监测资料计算得到变形区域的空间位移量，对比各种可能的变形破坏方式相应的变形特征和位移关系式，从而辨识出实际发生的变形破坏方式、变形区域和变形演化成破坏的过程。这种系统辨识方法，意在探索将边坡的变形、破坏分析与监测网、监测数据有机的结合起来，并定量化，主要针对在通常情况下的变形、破坏。近年来，人工神经网络开始应用于边坡工程的稳定性分析评价，人工神经网络是指由大量的简单神经元广泛互联构成的一种计算结构，是一种广义的并行处理系统，为解决复杂边坡工程的稳定性提供了一种新的途径。

1.4 研究内容及技术路线

1.4.1 研究内容

崩塌地质灾害分为两个阶段和三种类型（按照规模）。两个阶段是指崩塌孕育阶段和崩塌发生阶段（见图1-2），第一个阶段对应危岩体（Unstable Rock Mass），第二个阶段对应崩塌的三种类型，即滚石（Rockfall）、崩塌（Rockslide）和山崩（Rock Αvalanche）。滚石和崩塌（狭义）只是因规模划分不同，以下将其统称为崩塌。体积小于1万方的称为小型崩塌，即滚石；体积大于100万方的称为特大型崩塌，称为山崩；体积介于1～10万方的称为中型崩塌，体积介于10 ～100万方的称为大型崩塌，统称为崩塌。

图1-2 本研究对崩塌的分类（按发生阶段和体积）

本研究在前人的工作基础上，从崩塌分类方法、崩塌灾害机理及模式、崩塌稳定评价计算方法、崩塌灾害调查、危险性分级与分区评价等方面系统研究了崩塌的形成机理及评价方法。第二篇研究内容包括以下四个方面：

（1）崩塌分类方法。

在总结了铁道部崩塌分类方法及其他分类方法的基础上，从受力机制角度按形成原因对岩质崩塌进行了地质力学分类，将其分为3大类和6个亚类。综合考虑黄土地形地貌、黄土类型及结构、黄土垂直节理、坡脚侵蚀、降雨、人类工程活动等方面，将黄土崩塌分为四种主要破坏机制。

（2）崩塌灾害机理及模式。

从地下地貌、地层岩性、边坡岩体结构面组合、降雨和地下水、风化作用等方面分析了岩质边坡崩塌的影响因素，通过离散元分析方法（UDEC）,数值模拟了倾倒式崩塌、卸荷-拉裂式崩塌、塑流-拉裂式崩塌、滑移-压致拉裂式崩塌和悬臂-拉裂式崩塌、剪切-滑移式崩塌的形成过程。

（3）崩塌稳定评价计算方法。

从刚体极限平衡法、极限分析方法、应力分析方法、断裂力学方法、块体分析方法、赤平投影方法等，对倾倒式崩塌、卸荷-拉裂式崩塌、塑流-拉裂式崩塌、滑移-压致拉裂式崩塌和悬臂-拉裂式崩塌、剪切-滑移式崩塌等稳定性计算进行了总结、改进和创新。

（4）崩塌灾害调查、危险性分级与分区评价。

系统总结归纳了公路崩塌灾害调查的步骤和内容，改进并完善了公路岩质崩塌野外调查表；提出了崩塌危险性分级系统（Rating System of Rock Fall，简写为RFRS），并改进了公路崩塌易发区评价方法。

1.4.2 研究技术路线

第二篇的研究内容和技术路线见图1-3。

图1-3 研究技术路线